基于有限元的精密主轴多目标优化设计研究.pdf

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1、2012年7月机床与液压Ju1．2012第4O卷第13期MACHINETOOL&HYDRAULICSVo1．40No．13DOI：10．3969／j．issn．1001—3881．2012．13．002基于有限元的精密主轴多目标优化设计研究李金华，刘永贤，仪登丽，于扬，张德强(1．东北大学机械工程与自动化学院，辽宁沈阳110004；2．辽宁工业大学机械工程学院，辽宁锦州121001)摘要：随着切削速度的不断提高，对主轴的动静态特性要求也越来越高。经验设计已不适应新产品的研制开发需要。在对精密主轴进行参数化建模的基础上，利用有限元扫描，分析各设计变量对状态变量和目标函数的影响。在有限元软

2、件中建立了该主轴的多目标优化模型，通过比较优化前后主轴的性能可知：通过优化不仅提高了主轴的动刚度和固有频率，而且减小了主轴的质量，使结构参数更合理，能满足工程实际应用需要。关键词：车削中心；主轴；有限元；优化设计；参数化中图分类号：TG502．14文献标识码：A文章编号：1001—3881(2012)13—005—3StudyonMulti-objectiveOptimumDesignofPrecisionSpindleBasedonFEMLIJinhua，LIUYongxian，YIDengli，YUYang。，ZHANGDeqiang(1．SchoolofMechanicalEng

3、ineering，NortheasternUniversity，ShenyangLiaoning110004，China；2．SchoolofMechanicalEngineering，LiaoningUniversityofTechnology，JinzhouLiaoning121001，China)Abstract：Withthedevelopmentofmodemmachining，thestaticanddynamicperformancesofthespindlearerequiredhigherandhigher．Traditionaldesignmethodsnotonl

4、yneedalotoftime，butalsoCannotprovidequalityassurance．TheprecisionspindlewaftmodeledandparameterizedbyFEM，andthemulti—objectiveoptimizationmodelWaSbuilt．Somerelationsbetweendesignvaria-blesandstatevariableswerecalculated，andsomerelationswereknownbetweendesignvariablesandobjectivefunction．Theoptim

5、umdesignwasautomaticallydone，andtheoptimumdimensionsweregained．Comparingwiththeofi#naldimensions，itisknownthatthespindleperformancesuchasdynamicstifnessandnaturalfrequencyareincreased．andthevolumeisreduced．Keywords：Turningcenter；Spindle；FEM；Optimumdesign；Parameterization为了提高生产率，降低生产成本，数控机床正朝计代替经

6、验设计，完成精确计算。着高速、高精密、智能化、轻量化方向发展¨。但1车削中心主轴系统结构同时也使得机床的动静态特性及热特性越来越复杂，该车削中心由床身、主轴箱、卡盘、床鞍、尾精确建模变得非常困难和耗时，导致改进设计更加困座、纵横滑板、电动刀架、数控系统、伺服驱动系难。主轴系统是数控机床发展的关键。建立主轴统、电气系统、液压系统、冷却系统及润滑系统等构单元精确模型，对主轴性能进行精确仿真，从而在设成。主轴的前后轴承均采用动静压轴承。如图1所示为该主轴系统设计结构，采用外装式电主轴。计阶段优化结构尺寸，实现最大的动刚度和最小的材料和动力消耗。以往主轴设计是根据设计条件，确定初始结构尺寸，利

7、用有限元建模、求解，最后对分析结果进行评定，若不合格，则对尺寸加以修改，然后再建模、求解、评定，如此反复直到合格为止。这个过程耗时费力，设计方案也不是最佳。鉴于此，作者将优化技术直接融入主轴设计分析过程，快速分析计算设计变量对主轴性能的影响，寻找最优结构参数，实现理论设图1主轴系统结构收稿日期：2011—07—02基金项目：国家科技重大专项(2009ZX04001—053)；辽宁省重点实验室项目(LS2010080)作者简介：李金华(1978一